ИС-датчаки температуры. Как мы уже отмечали в разд. 5.14, смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной температуре, т. е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. REF-02, например, обеспечивает температурный выход с линейным коэффициентом -г2,1 мВ/°С. Если этот выход подключить к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки, то можно получить точность почти 0,5 для интервала от -55 до -f 125°С. LM335 - удобный 2-клеммный температурный датчик, который в принципе подобен зеиеровскому диоду с выходр.ыл напряжением -flO мВ/°К; например, прн 25°С (298,2 К) он работает как стабилитрон на 2,982 В. Выпускаются эти датчики с начальной точностью ЧгГС и имеют внешнюю подстройку.

Существуют и другие ИС-датчикн температуры, например AD590 - двухклеммЕое устроГхтво, работаюи];ее как генератор постоянного тока, у которого ток в микроамперах пропорционален абсолютной температуре; например, при 25°С (298,2 К) он ведет себя как стабилизатор тока ка 298,2 мкА (±0,5 мкА). Точность, достигаемая этим простым прибором, равна ГС (при наилучшей градуировке) в интервале от -55 до Ч^150 С. Что особенно привлекает в них, так это простота внешних электрических соединений.

Кварцевые терлшметры. Изменение резонансной частоты кристалла кварца может быть использовано для создания точного, с хорошей воспроизводимостью, термометра. Хотя реальные генераторы на кристалле кварца обычно ттот самый низкий температурный коэффициент, ]\южно подобрать сеченке кристалла, обеспечивающее большей коэффициент, и воспользоваться высокой точностью частотных измерений. Хорошим образцом такого датчика является прибор фирмы Hewlett - Packard 2804А - термометр со встроенным микропроцессором, имеюш,нн абсолютную точность 40 мград в интервале от -50 до -f 150°С (при расширении интервала точность уменьшается) и температурное разрешение 100 мкград. Чтобы получить такие характеристики, в приборе предусмотрена индивидуальная калибровка каждого датчика, данные с которого используются для вычисления температуры.

Пгиюмстры и термографы. Интересен метод бесконтактного измерения температуры с помощью классического пирометра. Метод заключается в том, что наблюдатель, рассматривая через зрительную трубу вроде телескопа раскаленную поверхность предмета, сравнивает цвет его свечения с цветом нити накала внутри пирометра. При этом наблюдатель подстраивает ток нити накала так, чтобы ее яркость сравнялась с яркостью объекта наблюдения (причем оба рассматриваются через красный светофильтр), и считывает температуру \ Этот метод Удобен для измерения температуры очень горячих объектов или же объектов, расположенных в недоступных местах, например в печи

По показанию миллиамперметра; очевидно, что Т Р,- Прим. ред,

ИЛИ в вакуумной камере, а также объектов в окислительной или в восстановительной газовой среде, где невозможно использование термопар. Обычные оптические пирометры имеют интервал тиеряешых температур от 750 до 3000°С, точность около 4°С для нижней части интервала температур и около 20С - для верхнего края интервала.

Появление хороших детекторов инфракрасного излучения позволило использовать этот метод измерений и для более низких температур вплоть до обычных. Измеряя интенсивность инфракрасною излучения, иногда с определенными длинами волн вы можете определять с хорошей точностью температуру удаленных предметов. Такая <тер-мографчя с недавнего времени стала популярной в совершенно различных областях; в медицине для диагностики опухолей или в энергетике, например термография вашего дома покажет вам, где транжирится энергия.

Низкотемпературные измерения. Особое место занимает проблема точного измерения температуры криогенных (очень холодных) систем. Задача сводится к выяснению вопроса, насколько температура близка к абсолютному нулю (О К==-273,Ш'С). Здесь имеются два пути: измерение сопротивления обычного углеродсодержащеш резистора, которое при низких температурах резко возрастает, и измерение парамагнитных свойств некоторых солей. Эти вопросы касаются специальной области измерительной техники и здесь рассматриваться не будут.

Измерения позволяют управлять* Если имеется способ регулировать некоторую количественную величину, то при наличии хорошей измерительной аппаратуры можно точно управлять этой величиной. В частности, термисторы обеспечивают прекрасное управление температурой ванны или печи \

14.02. Уровень излучения

Измерение, синхронизация и наблюдение слабых световых потоков достигли высокого уровня благодаря существованию методов усиления, которые неприменимы в обычной схемотехнике. Фотоум-нолштели, усрьтители с канальными пластинами, ПЗС (приборы с зарядовой связью) и УУКМ (усилитель 4- усилитель с кремниевой мишенью) включены в каталог высококачественных оптических детекторов. Мы сначала расскажем о самых простых детекторах (фотодиодах и фототранзисторах), а затем перейдем к экзотическим и удивительным устройствам.

Фотодиоды и фототранзисторы. Диодный переход работает как фотодетектор. Свет создает электронно-дырочные пары и тем самым вызывает ток во внешней цепи. Диоды, используемые в качестве фо-

Имеются в виду технологические, а не бытовые агрегаты в первую очередь,--Прим. ред.

тодетекторов (фотодиоды и р

/г-дподы), имеют прозрачный кор-

пус и обладают хорошим быстродействием, высоким к. п. д , низким уровнем Hiytiia и малыми тока\!и утечки. Простейший режим работы фотодиода - 310 когда он соединен параллельно с сопротивлением нагрузки или со входом преобразователя ток'напряжение, как показано на рис. 14 5. Более быстрое срабатывание (при том же фототоке) у обратно-смещенного перехода (рис. 14.6). Быстродействующие

а

Рис 14 5.

Рнс 14 6.

р - i - я-диоды имеют времена срабатывания несколько наносекунд или меньше (ширина полосы 1 ГГц), если нагружены на низкое сопротивление. Следует отметить, что у хороших р - i - п-диодов ток утечки так мал (меньше наноампер), что тепловые шумы сопротивления нагрузки становятся доминирующими уже ири сопротивлениях, меньших илн равных 100 МОм, поэтому отношение быстродействие/ шум здесь выбирается на основе компромисса. Кроме того, при работе с низки\ш з-ровнямн светового потока нужно учитывать и ошибки, вызываемые смещением напряжения на входе усилителя или напряжения сдвига в сочетании с темповым сопротивлением фотодиода.

Фотодиоды - прекрасные детекторы излучения в условиях, когда света много, но если уровень излучения низок, то сигнал с его выхода может быть слишком мал. Обычно их чувствительность порядка I мкА на 1 мВт падающего излучения. Поток в 1000 фотонов в 1 с, видимый невооруженным глазом, если его сфокусировать на р - i - п-диоде, вызовет фототок всего в 4-10-* А, что совершенно невозможно выделить на фоне шума и гока утечки. Здесь л} чше применять не фотодиоды, чувствительные к фотонам (см. след. раздел о фотоумножителях), а так называемые фототранзисторы, которые имеют значительно больший выходной ток, чем фотодиоды, при сравнимых уровнях облучения, но хуже по быстродействию. Фототранзисторы работают как обьныые транзисторы, но ток базы - это фототок, получаемый в переходе база - коллектор. Недорогие фототранзисторы типа FPT120 и^Ieют выходной ток в несколько миллиампер при освещенности 1 мВт/см-, времена нарастания и спада равны 18 мкс, а фототранзисторы Дарлингтона типа FPT400 имеют еще больший фототок, но время нарастания у них составляет 100 мкс. Заметим, однако, что добавочное усиление тока в фототранзисторах или в составных фототранзисторах не

улучшает их способность детектировать очень малые уровни света (чувствительность), поскольку нижний предельный уровень определяется темновым током детекторного диода.

Оптоизоляторы. На основе фотодиодов и фототранзнсторов в сочетании со светоизлучающими диодами (СИД) строятся оптически связанные изоляторы - устройства, предназначенные для изоляции источника сигнала от его нагрузки Промышленностью выпускаются самые разнообразные модификации - от простой пары светодиод - фототранзистор типа популярного Monsanto МСА-2 до быстродействующих устройств для логических сигналов с ТТЛ-согласованными входами и выxoдaиI. Обычно эти устройства обеспечивают изоляцию на 3 кВ, сопротивление изоляции 10 Ом и емкость связи между входом и выходом меньше 1 пФ.

Рис. 14.7. Прямой оптический прерыватель (а) и индикатор отраженного спета (б).

Интересна модель оптического прерывателя (ключа), представляющего собой пару светодиод - фототранзистор с зазором около 3 мм. Этот прибор чувствует присутствие, например, непрозрачной полоски бумаги или вращающегося диска с прорезями. Другой вид этого устройства имеет светодиод и фото детектор, глядящие в одном направлении. Эта модель чувствительна к присутствргю вблизи отражающих объектов (во всяком случае, в течение достаточного времени). Схематично эти устройства показаны на рис. 14.7.

Фотоумножители. Для детектирования и измерения малых световых потоков (и иногда с наносекундным разрешением) лучше всего пригодны фотоумножители. В них фотоны (мельчайшие частицы света) вырывают с фотокатода , изготовленного из светочувствительного щелочного металла, электроны, В фотоумножителе этот слабый фото-ток усиливается благодаря ускоренному движению электронов к последующим поверхностям (динодам), из которых легко вырываются

Оптроны или оптронные гальванические разделители.- Прим. ред,

Фотокатоя

Рис. 14,8. Процесс умножения в фотоумножителях.

дополнительные электроны. Рис. 14.8 иллюстрирует этот процесс. При таком электронном умножении шум первоначального сигнала фототока практически не усиливается. Делитель напряжения обычно рассчитывают так, чтобы между соседними динодами падало по 100 В, при этом усиление на каждом каскаде было равно 10 или общее 10 В конце концов ток собирается на аноде, потенциал которого близок к земле (рнс. 14.9), и он бывает настолько велик, что шумы последующего усилителя уже не играют роли.

Наиболее эффективные фо-Фокатодные материалы имеют квантовый выход, превышающий 25%, и благодаря большому усилению, обеспечиваемому динодами, легко фиксируются отдельные фотоэлектрические акты. Если

световой поток очень мал, то сигналы после ФЭУ (фотоумножителя) подаются на импульсный усилитель, интегрирующий заряд, дискриминатор (см. подробнее рнс. 13,43) н счетчик. При больших световых потоках количество фотоэлектронов становится столь большим, что анодный ток фиксируется как макроскопическая величина, ФЭУ имеют чувствительность порядка 1 А на 1 мкВт, а максимальный анодный ток ФЭУ не должен превышать 1 мА, Таким образом число фотонов практически ограничивается величиной около 1 млн. в секунду, что прн грубой оценке соответствует падающей мощности 2-10 Вт!

Обычно выпускаемые электронные приборы работают в режиме как счета импульсов, так и измерения тока на выходе. Например, квантовый фотометр фирмы PAR с встроенным источником высокого напряжения работает в обоих режимах. Он имеет И диапазонов для счета импульсов (полная шкала от 10 ими./с до 10 имп./с) и 11 диапазонов считывания анодного тока (полная шкала 10 нА-1 мА).

1кВ о

1 Фотокатод

---- диниды

Рис. 14.9. Схема смещения динодов

в фотоумножителях.

Все сопротивления приблизительно одинаковы (-100 кОм),

340 Г/iaea 14

Даже в условиях полной темноты на аноде будет небольшой ток. Он вызывается тепловыми электронами, исходящими из фотокатода и дннодов, и его можно уменьшить, если охлаждать ФЭУ до температуры -25°С и ниже. Обычно темновые токи для светочувствительного катода ФЭУ из щелочноземельных металлов имеют величину примерно 30 ед./(с-см2 площади катода) при комнатной температуре. Охлажденный ФЭУ с небольшим катодом имеет темновой ток меньше единицы в секунду. Следует помнить, что ФЭУ с включенным напряжением питания не должен подвергаться воздействию обычного света; для ФЭУ, в окно которого попал дневной свет даже при отключенном питании, требуется 24 ч или более, чтобы он остыл и его темновой ток вернулся к нормальному уровню.

По сравнению с фотодиодами ФЭУ обладают более высоким квантовым выходом, сохраняя быстродействие (время нарастания обычно равно 2 не). Однако они громоздки и требуют стабилизированного источника высокого напряжения, поскольку усиление ФЭУ возрастает экспоненциально в зависимости от приложенного напряжения.

Особое значение приобретают ФЭУ при работе с чрезвычайно малыми световыми потоками. Они используются при токах акода порядка микроампера или менее, следовательно, ФЭУ легко видят свет, который вы не можете видеть. Фотоэлектронные умножители применяют не только для непосредственного детектирования света, как в астрономии (фотометрия) и биологии (биолюминесценция, флуоресценция), но и в схемах совпадений со сцинтилляторами типа детекторов частиц и детекторов рентгеновского и гамма-излучения, которые будут рассматриваться в разд. 14.07, ФЭУ широко используются в спектрофо-тометрии, где они в сочетании с призмами, дифракционными решетками или интерферометрами позволяют проводить точные измерения оптических спектров.

ПЗС, усилители изображения, У КМ, УУКМ и диссекторы изображения. С помощью некоторых новейших искус-ных методов можно получить изображение на уровне отдельных световых квантов, т. е. можно сформировать изображение с такой же чувствительностью к малым световым потокам, что и в фотоумножителях (не дающих изображение). Эти последние изобретения удивительны. Вы можете сидеть в совершенно темной комнате и смотреть в телевизионный монитор, в которо-М изображаются, хотя и со множеством бликов , все предметы в комнате.

Ключевым узлом во всех этих устройствах является электронно-оптический усилитель изображения, на выходе которого формируется яркая реплика входного изображения. Считывание осуществляется либо с помощью обычного видикона (ТВ-камеры) с кремниевой мишенью, либо с помощью матрицы ПЗС. В видиконе изображение, сцроецированное на светочувствительную двумерную мишень, считывается сканированием электронного пучка, а в ПЗС - путем сдвига изображения по типу аналогового регистра сдвига. Чувствитель-

Иънере/шй и обработка сигналов

ность телевизионной камеры много ниже уровня отдельных фотонов - это двумерный аналог фотодиода. Поместив перед камерой трубку электронно-оптического усилителя изображения, вы совершите чудо. Схематично этот процесс изображен на рис. 14.10.

В1ДЧ оч Элетрйнная пушка

ЧП] =

Смагнитиар)

Рис. 14 Ш. Видйкон с одним каскадом усиления изображеняп.

/ - [побрлже^ия попплают на чувствительный фотокатод, эжекция электронов; 2 - усиленное изображение, формируемое на люмгшофоое выходного окна ускоренными эпектроиами; 3 - усиленное К10бралгение П01тадйетьа ч>встзительную поверхность видикона, считывание осуществляется скашфовлнпем электронного njiria

Электронно-оптические усилители поступают в двух вариантах. В усилителях с первичной генерацией чувствительная поверхность фотокатода такая же, как и в фотоумножителях. Здесь предусмотрена фокусировка электронов и имеется люминофорный экран, расположенный позади так, что фотоэлектроны от катода ускоряются под действием приложенного высокого напряжения и бомбардируют люминофор с энергией, достаточной, чтобы вызвать яркие вспышки света. С помощью такого усилителя вы можете получить на одном каскаде усиление около 50 с разрешением приблизительно 50 линий на 1 мм. Обычно ставятся два, три или четыре каскада, чтобы получить общее усиление света Ю' или более. Входное и выходное окна делаются из стекла с внутренним соответственно фоточувствительным или фосфорным покрытием, или же они могут изготовляться из плотной связки оптических волокон. Оптические волокна обладают тем преимуществом, что позволяют сопрягать совершенно плоские входные и выходные поверхности с искривленной поверхностью трубки. Благодаря волоконной оптике упрощаются внешние оптические узлы, так как можно соединять эти устройства покаскадно, прямо стыкуя их вместе без всяких ЛИ[13.

Электронно-оптические усилители с вторичной генерацией, в которых используются микроканальные пластинки , позволяют достичь более высоких значений для коэффициента усиления света на одном каскаде, и их лучше всего использовать при низких уровнях световых потоков, когда число ионных актов мало. Положительные ионы вырываются из люминофора и движутся к катоду, где производят сильный всплеск. В этих усилителях в пространство между катодом и люминофором помещается микроканальная пластина, представляющая собой связку микроскопических полых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта умножающим слоем по типу динодов.

Фотоэлектроны от катода ударяются снизу об эти каналы, вырывая вторичные электроны, благодаря чему получается усиление снега порядка

10 ООО (рис. 14.11). Можно

Электронные линзы [электростатические)

jiraMHHocpep -Ч-

Вьглодипе окно

Входное окно

лластина

получить разрещеике около 20 лин./мм, а используя специфические конфигурации! ( J-канал , С-канал , шеврон ), почти полностью решить проблему дефицита ионных актов. В результате получается усилитель изображения с таким же квантовым выходом, как и фотоумножители (20-30%). Использование почти бесшумного умножения электронов позволяет довести уровень усиленного света до уровня чувствительности видикона или ПЗС.

Такие усилители, совмещенные в одной трубке с видиконом, имеющим кремниевую мишень, называют УКМ (усилители с кремниевой мишенью). УУКМ (усилитель 4- усилитель с кремниевой

Один кеснад /си11ения си-титель -f б^дикон

Фоточувствительныи натсд

Рис. 14.и. Электронно-оптический усилитель с микроканальной пластиной и с электростатической фокусировкой.

Выходное и входное окна представляют собой связку оптических волокон, микроканалькая пластина представляет собой связку полых стеклянных трубок с внутренним покрытием диаметром Юмкм и длиной i мм.

Рис. 14.12. Усилитель усилитель с кремниевой мише.чью (УУК.М).

/ - изолирующий герметизирующпи материал; 2 - люминофор; 3 - высоковольтные выводы! 4 - фоток^тод; 5 - магнитная отклоняющая система; 6 - доколь трубки видикона; 7 - входное окно диаметром 18 мм (связка оптических волокон); 8 - электростатическая фокусировка; У - стекловолоконный диск; 10 - кремниевая ыишеиь (видикон); - электронный пучок для сканирующего считывания.

мишенью) - это УКМ, перед которым с внешней стороны встроен дополнительный усилитель (рис. 14.12), Эти приборы позволяют видеть в темноте и широко применяются как в астрономии, так и для воен* ных действий в ночное время.

Измрррния и обработка сигналов 313

Интересную модель фотоэлектронного усгглителя изображения представляет собой так называемый диссектор изображения - хитроумное устройство, которое фактически является предшественником описанных приборов. В нем после площадки чувствительного фотокатода располагается цепочка обычных для фотоумножителя динодов. Между фотокатодом и динодами имеется небольшая диафрагма и несколько отклоняющих электродов, так что любое пятно на фотокатоде может стать активной облас1ью генерации электронов, умножаемых системой динодов. Можете считать, что диссектор изображения - это тот же фотоумножитель, но у которого рабочая область на фотокатоде электронным путем может перемещаться. Квантовый выход и усиление те же, что и у обычных ФЭУ, но от усилительных видиконов, ПЗС и УКМ (у всех у них изображение интегрируется) диссекторы отличаются тем, что между считываниями изображение в пределах входного поля зрення не накапливается.

14.03. Деформация и смещение

Измерение таких физических переменных, как положение и усиление, само по себе достаточно сложно, и любой измерительный прибор должен включать в себя такие устройства, как тензодатчик, ДПЛП и т. п. Основным здесь является измерение перемещения.

Существует несколько прекрасных методов измерения положения, смещения (изменение положения) и деформации (относительного удлинения).

ДПЛП. Весьма распространены ДПЛП (дифференциальные преобразователи линейных перемещений), название которых само объясняет их суть. Они строятся в виде трансформаторов с подвижным сердечником, Б ко-орых возбуждается переменным током одна обмотка и измеряется индуцированное напряжение во второй обмотке. Вторичные цепи имеют в середине отвод (илн делаются как две отдельные обмотки) и располагаются симметрично по отношению к первичной, как показано на рис. 14.13. ДПЛП выпускаются различных размеров и охватывают диапазон перемещений от 0,125 до 625 мм, с частотами возбуждения от 50 Гц до 25 кГц н точностью от 1 до 0,1% или еще лучше.

Тензодатчики. Тензодатчики измеряют удлинение и(или) изгиб сборки из четырех металлических тонкопленочных резисторов, подвергаемой деформации. Они выпускаются в виде законченных комплектов размерами от 0,4 мм до нескольких сантиметров с сопротивлением, обычно равным приблизительно 350 Ом/плечо. Электрическая схема тензодатчиков подобна мосту Уитсгона: на два противоположно расположенных зажима подается постоянное напряжение, а с двух других снимается разность потенциалов, как уже рассматривалось в разд. 7.08. Выходные напряжения очень малы, обычно около 3 мВ на 1 В возбуждения при полной шкале деформации, точность от 1 до 0,1% всей шкалы (см. рис. 14.13, г).

Очень нелегко измерять относительно малые удлинения, и определение величины деформации в этом случае, к сожалению, ненадежно. Небольшие различия в температурных коэффициентах элементов моста влияют на их чувствительность к температуре, что ограничнвает точность измерения деформации. Это проблематично даже в условиях контролируемой температуры окружающей среды из-за явления саморазогрева. Например, при возбуждении постоянным током напряжением

Перемещечие

Сердечник / j вторичная обмотка Первичная обмотна Вторичная обмотна

(с центральным отводом)

Вторичная (2 оЬмотки)

Выход

лолонвние гЕрдЕчника

.Номинальный диапазон U наияч-шеи линеиностью)

10 В пост, твн

Каждое wsHO 350 Ой

Рис. J4 13. Датчики перемещений.

а - дифференциальный преобразователь линейных перемещений (ДПЛП), вид в разрезе; б схема ДПЛП. в - выходное напряжение ДПЛП в зависимости от перемещения, г ~ схема теи-зодатчнка.

10 В 350-омного моста в чувствительном элементе рассеивается 300 мВт, а его температура возрастает на 10°С (или больше), что вызывает ошибку в реальном сигнале от 0,1 до 0,5% для всей шкалы.

В последнее время получили распространение полупроводниковые тензодатчики. На выходе они дают сигнал, в 10 раз превышающий сигнал металлопленочных приборов, а нх сопротивление составляет несколько сотен омов. И что особенно важно, для их возбуждения можно использовать источник тока, а не источник напряжения, а это дает возможность минимизировать чувствительность к температуре.

Емкостные преобразователи. Очень чувствительный метод измерения перемещений может быть реализован, если использовать преобразователь, состоящий просто из двух близко расположенных друг к другу пластин или из пластины, заключенной между парой внешних